专利名称：无刷级联双馈风力发电机组的低电压故障穿越方法
技术领域：
本发明涉及一种特殊电机应用在风力发电系统中的低电压故障穿越的方法，可以 实现无刷级联双馈风力发电机在低电压时继续保持工作，将多余的有功功率释放使之不流 入电网，限制控制绕组端的电压和电流，保持变流器直流端的稳定，并且向电网发送无功功 率以满足低电压时故障穿越的标准。
背景技术：
双馈电机被广泛应用在风力发电领域，并且曾经因为成本和体积上的优势，占据 了超过50%的市场份额，然而近几年因为其维护和低电压穿越上的劣势，市场份额有所降 低。无刷级联双馈电机作为双馈电机的一个改进版本，它保留了双馈电机的所有优 点，并且除去了维护要求很高的电刷，大大降低了维护成本，增强了系统的可靠性。无刷级联双馈电机的原理在20世纪初就被提出，采用两个感应电机级联的方法 实现低速运转。90年代初，现代化无刷级联双馈电机的设计基本定型。此电机采用两组独 立的定子绕组，使用不同的级对数来防止相互之间的耦合。转子采用特殊的类似鼠笼式设 计，可以同时耦合两个定子绕组。电机的速度由两个定子绕组的驱动频率共同决定。一般而言，一组定子绕组连接固定频率和电压的电网，称为功率绕组；另一组定子 绕组连接变频变压的变流器，称为控制绕组；或者说，考虑到功率绕组是固定频率，转子速 度最终由控制绕组的频率决定。如果将无刷级联双馈电机应用于风力发电系统中，必须考虑低电压时的故障穿 越。现有的故障穿越技术主要是考虑传统的电机拓扑，但是针对无刷级联双馈风力电机的 低电压故障穿越的方案一直没有出现，因此限制了无刷级联双馈电机在实际的风力发电中 的应用。本专利描述了一套全新的基于无刷双馈风力发电机的低电压故障穿越控制系统， 该控制系统采用了 crowbar电路(控制绕组短路保护)和泄荷电路，解决了低电压时无刷 双馈感应发电机产生的有功功率的释放以及变流器的安全操作，保证了发生低电压故障时 无刷级联双馈风力发电机组仍然保持运行。在系统运行的同时向电网注入无功功率以满足 低电压故障穿越的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种针对无刷级联双馈风力发电机组的低电压故障穿越系 统，即当电网电压降低的时候，仍然保证发电机正常运行。本发明的构思是发电机产生的多余的有功功率释放在交流以及直流的泄荷电阻 上，保证变流器和电机的安全操作。电网端变流器采用基于电网电压同步坐标系的矢量控 制算法，向电网输送无功功率，保证系统满足低电压故障穿越的技术指标。根据上述发明构思，本发明的技术方案由以下环节组成第一个环节是本发明在无刷级联双馈发电机的控制绕组端采用一个crowbar电路，在低电压故障发生时同时限制控制绕组的电压和电流。crowbar电路采用滞回的控制方 式。第二个环节是本发明在变流器的直流侧采用一个泄荷电路，在正常工作时以及 低电压故障发生时维持直流侧电压的稳定，实现变流器的安全工作。泄荷电路采用滞回或 者P丽的控制方式。第三个环节是本发明在电网端变流器采用基于电网电压同步坐标系的矢量控制 算法，在低电压故障发生时向电网注入无功功率，满足低电压穿越的标准。本发明与现有技术比较，具有如下显而易见的突出的实质性特点和显著优点1.目前基于无刷级联双馈电机的低电压穿越的方法并不存在，不能简单地将传统 双馈电机的低电压穿越方法直接用于无刷级联双馈风力发电机上。本发明在基于馈电机的 低电压穿越方法的基础上，在硬件连接、软件计算和参数选择上做出了变化，提出了一个适 于无刷级联双馈电机的低电压穿越方法。2.本发明的crowbar电路根据测量得到的控制绕组的电流来决定是否导通 crowbar电路，因此在电网低电压故障发生时，crowbar电路处于交替开关状态，提高了故 障发生时整个系统的可控性和动态性能。同时在硬件连接上crowbar电路无须通过电刷连 接，大大提高了系统的可靠性。
图1是BDFM原理图。图2是无刷级联双馈电机包含电压故障穿越方法的变流器配置图。图3是crowbar电路控制原理图。图4是直流侧泄荷电路采用滞回控制方式原理图。图5是直流侧泄荷电路采用PWM控制方式原理图。
图6是电机侧变流器结构。
具体实施例方式本无刷级联双馈电机的矢量控制方法和原理简述如下图1为无刷级联双馈电机的原理图。无刷级联双馈电机有两组定子绕组，分别是 功率绕组和控制绕组。功率绕组直接连接50Hz固定频率的电网，而控制绕组通过双向变流 器连接电网。通过调节控制绕组的频率可以控制电机的转速。如果能够限定电机的工作范 围，大部分的能量通过功率绕组流入或者流出电机，而小部分的能量通过变流器流入或者 流出电机，因此可以减小变流器的容量，一般为电机容量的1/3左右，同时可以大大降低变 流器的损耗。传统的的双馈电机只有一组定子绕组直接连接50Hz的电网，而转子绕组过碳 刷和变流器进行电气连接。相对于传统的双馈电机，无刷级联双馈电机不需要采用易坏的 炭刷结构，因此提高了系统的可靠性。图2为无刷级联双馈电机包含电压故障穿越方法的变流器配置图。无刷级联双馈 电机1通过变速箱2和风浆3进行机械连接，定子绕组分为功率绕组4和控制绕组5，分别 连接电网6和电机端变流器7。变流器分为电网端变流器8和电机端变流器7。电网端变 流器8通过电抗器9和电网6连接，软件配置基为电网电压同步坐标系的矢量控制算法控制流入电网的有功功率和无功功率。电机端变流器7和控制绕组5连接，软件配置为基于 功率绕组定子磁链同步坐标系的矢量控制算法，控制无刷级联双馈电机的速度和功率绕组 的无功功率。电网端变流器8和电机端变流器7通过一个直流侧相连接。直流侧包括直流电容10和泄荷电路11。泄荷电路11由一个泄荷电阻12，一个全 控电子开关13和一个续流二极管14组成。开关13可以是任何形式的电子开关，通常采用 IGBT(绝缘门极双极性晶体管)。当开关13关断时，泄荷电路11关闭，系统工作在正常状 态，所有能量从电机端变流器7流入电网端变流器8并流入电网6。当开关13导通时，泄荷 电路工作，部分或所有能量消耗在泄荷电阻12上。开关13具体的开关算法可以采用滞回 控制和PWM控制两种方法，分别见图3和图4。在开关13关断的瞬间，泄荷电阻12的瞬间 电流通过续流二极管14实现回路。在无刷级联双馈电机1的控制绕组5和电机侧变流器7之间连接了一个crowbar 电路15，保证在电网低电压故障时，对控制绕组5限流以及对电机侧变流器7限压。crowbar 电路15由双向晶闸管16和泄荷电阻17组成。当电网发生低电压故障时，电机端变流器7 的所有IGBT关断，同时双向晶闸管16导通，控制绕组产生的所有的能量释放在泄荷电阻17 上面。泄荷电阻17的选择很重要，必须保证控制绕组5的电压低于直流侧电压，从而杜绝 直流侧电容10通过电机端变流器7的续流二极管快速充电，维护直流侧电压的稳定。泄荷 电阻17同时必须保证控制绕组5的电流足够小，限制控制绕组5的升温。一般泄荷电阻值 选择为无刷级联双馈电机1的整体漏抗的2到5倍。图3为crowbar电路15的控制原理图，采用滞回控制18，检测控制绕组5的电流 i2作为输入，如果电流i2大于安全上限电流iH，则说明电流过大，需要导通crowbar电路15 的晶闸管16，此时无刷级联双馈电机1工作在不可控级联状态；如果电流i2小于安全下限 电流I则说明系统工作在安全状态，可以关断crowbar电路15的晶闸管16，此时无刷级 联双馈电机工作在可控同步状态；如果电流i2处于安全上限电流iH和安全下限电流k之 间时，开关状态不变。图4为直流端泄荷电路11采用滞回控制器19的工作原理图。当直流侧电压 超过了安全上限电压νΗ时，开关13完全导通，泄荷电路处于工作状态；当直流侧电压Vdc低 于安全下限电压A时，开关13关断，泄荷电路处于关闭状态；如果直流侧电压Vdc处于安全 上限电压νΗ和安全下限电压A之间时，开关状态不变。图5为直流端泄荷电路11采用PWM控制器20的工作原理图。当直流侧电压vDC 安全下限电压A和安全上限电压vH之间时，PWM控制器20输出一个和直流侧电压电压vDC 有线性关系的输出量21 (范围从0到1)，同时一个锯齿波发生器22输出一个固定频率的 锯齿波23 (范围从0到1)。PWM输出21和锯齿波输出23分别输入比较器24的正负输入 端，比较器24的输出25对开关13进行控制。当直流侧电压vDC处于或者低于低限工作电 压A时，开关13断开，泄荷电路不工作；当直流侧电压超过了高限工作电压vH时，开关 13完全导通，泄荷电路处于最大泄荷能力状态。图6为电网端变流器8的基于电网电压同步坐标轴的矢量控制原理图。电网端变 流器8的主要任务是保证系统向电网6持续输出有功和无功功率。首先需要从电网6采集三相电压vlu，Vlv和Vlw和三相电流ilu，ilv和ilw，并通过分 别进行3 — 2’变换矩阵26，将三相电压和电流分别变换为处于静止坐标系的两相电压ν1α和V10和两相电流ila和iie。变换矩阵26的表达公式为
权利要求
一种针对无刷级联双馈电机的低电压穿越保护电路，用以满足低电压故障穿越的系统要求。此保护电路包括一个在无刷级联双馈电机的控制绕组端的crowbar电路(控制绕组短路保护电路)，用以分流有功功率，保护电机端变流器以及电机本身的安全；一个变流器直流端的泄荷电路，用以保护直流端电容以及分流有功功率；一个采用基于电网电压同步坐标系的矢量控制算法的电网端变流器，以在低电压故障时向电网提供无功功率，满足低电压故障穿越的标准。
2.按照权利要求1所述，变流器的crowbar电路由三相双向晶闸管和三相保护电阻组 成。crowbar电路的控制器以无刷级联双馈电机的控制绕组电流作为输入，如果控制绕组 电流低于安全下限电流，则泄荷电路关闭；如果控制绕组电流高于或者等于安全上限电流， 则泄荷电路导通。控制器通采用滞回的方式决定crowbar电路中双向晶闸管的导通或者关 断。
3.按照权利要求1所述，变流器的直流端泄荷电路由一个IGBT(绝缘门极双极性晶体 管)、一个泄荷电阻和一个续流二极管组成。泄荷电路的以直流侧电压为控制输入。如果直 流电压低于安全下限电压，则泄荷电路关闭；如果支流电压高于或者等于安全上限电压，则 泄荷电路导通。控制器采用滞回或者PWM(脉冲宽度调制)的方式。
4.按照权利要求1所述，电网端变流器在电网正常时向电网提供或者吸收无功功率以 保证电网质量的要求，在电网发生低电压故障时向电网提供无功功率以满足低电压故障穿 越的标准。
全文摘要
一种基于无刷级联双馈电机的风力发电系统的低电压故障穿越方法，包括控制绕组交流侧的crowbar电路(控制绕组短路保护电路)和背靠背变流器直流侧的泄荷电路。crowbar电路保证电网发生低电压故障发生时释放无法输入电网的多余的能量，并且对控制绕组端进行限压和限流。泄荷电路保证任何情况下直流侧电压的稳定，以及确保多余的有功功率在直流端得到释放，实现硬件保护的目的。发生低电压故障时，电网端的变流器同时向电网输入无功功率，以满足低电压穿越的标准，帮助电网恢复正常。
文档编号H02J3/18GK101944747SQ20101028245
公开日2011年1月12日 申请日期2010年9月15日 优先权日2010年9月15日
发明者乌云翔, 邵诗逸 申请人:邵诗逸